發(fā)動機機體的溫度場分析

1、發(fā)動機機體的溫度場分析【摘要】利用CATIA建立發(fā)動機機體模型，將簡化后的機體三維模型導入Hypermesh，得到有限元模型。將機體的溫度場作為穩(wěn)定溫度場處理，利用AVL-Boost模擬出缸內氣體的溫度和換熱系數，分段確定氣缸壁的溫度邊界條件，根據已有經驗公式求出缸體外壁、曲軸箱內壁以及機體與連接件間的溫度邊界條件，同時根據經驗估算水套內的換熱系數和溫度，將這些溫度邊界條件施加到機體的表面上。最后，應用有限元軟件MSC.MARC對機體進行溫度場分析，得到了機體的溫度場分布?！娟P鍵詞】機體，換熱系數，溫度場，邊界條件，有限元Thermal Field Analysis of the Engine

2、 Cylinder BlockAbstract: In order to obtain the thermal field of the cylinder block, a 3D model created in CATIA was simplified before put into Hypermesh to get the FEA model. Then the thermal and heat exchange condition were calculated through operation process modeling based on AVL-Boost. Taking t

3、he thermal distribution as steady one and dividing the thermal condition of cylinder wall into parts, the overall thermal boundary conditions, including the outboard cylinder wall, crankcase inner wall and the one between cylinder and linker were presented, according to the experimental formulas. Me

4、anwhile, the exchange coefficient and temperature distribution were given aiming at adding them to the surface of cylinder block. In the end, the total thermal distribution of cylinder block was finished by means of applying the MSC.MARC to analyze the thermal field.Key words: Cylinder Block, Heat E

5、xchange Coefficient, Thermal Field, Boundary Condition, FEA1 引言近年來，隨著計算機技術的迅速發(fā)展，特別是有限元方法和分析軟件的日益成熟，在發(fā)動機研制開發(fā)工作中對零件進行有限元分析己成為輔助設計的重要手段。發(fā)動機內，燃料的燃燒使發(fā)動機燃燒室周圍的零部件都受到加熱，使其工作溫度升高。承受高溫負荷的這些零件，有可能產生蠕變、熱疲勞等熱故障，妨礙發(fā)動機長期可靠的工作，或者成為進一步提高發(fā)動機性能指標的障礙。特別是對那些強化度高的發(fā)動機來說，熱負荷、熱強度問題，已經成為能否研制成功或能否正?？煽窟\行的關鍵問題之一。零部件的熱強度，取決于它所承

6、受的熱負荷的高低及承受這種熱負荷的能力。前者主要取決于該零部件的溫度水平及溫度分布；后者則主要與零部件所選用的材料特性有關。溫度水平相對于溫度分布可以認為是客觀不可變因素，因此對受熱零部件進行溫度場研究具有實際意義。本文用有限元軟件MSC.MARC模擬機體的溫度場分布，對改進機體設計、提高內燃機的性能與可靠性具有重要的意義。2 有限元模型的建立本文的分析對象機體源于某汽油機。該機為一款直列四缸四沖程汽油機，排量為0.997L，氣缸直徑69mm，活塞行程66.5mm，壓縮比10:1，發(fā)火順序為1-3-4-2，發(fā)火間隔角為，最大功率52kW，最大功率時的轉速6000rpm。本文在6000rpm的工

7、況下進行分析。首先建立機體的三維實體模型。采用大型CAD軟件CATIA來建立完整的機體模型。建好的機體三維實體模型如圖1所示。圖1 發(fā)動機機體三維幾何模型由圖1可以看出，發(fā)動機機體的結構非常復雜，建立有限元模型時，必須根據有限元分析的需要對機體進行必要的簡化。簡化時，根據分析需要，考慮一些起主導作用的因素來建立機體的簡化模型。實體模型的簡化主要包括以下幾個方面：（1）忽略了一些局部結構。綜合考慮機體結構的特點和計算機的計算能力，可以對安裝機體附件用的凸臺、小的螺栓孔、油道、油孔等對整體特性影響較小的局部結構予以忽略。（2）簡化局部結構的一些細節(jié)。如忽略缸體上的一些鑄造圓角，但對機體內部橫隔板上

8、的局部加強筋、凹槽等以及結構結合處的圓角、倒角等細節(jié)不能簡化，這些細小的結構對于應力的分布影響比較大，這些局部結構細節(jié)一定要考慮。（3）螺栓孔的處理。在實際工作中由于裝上螺栓后局部剛度得以加強，所以在機體變形、應力分析的時候可以忽略較小的孔型結構，保留的螺栓孔采用圓孔進行替代，如缸蓋螺栓孔。（4）對每個部分又根據其形狀特點進行少量簡化，以方便劃分有限元網格。將簡化后的機體三維模型以IGS的格式導入Hypermesh，手動劃分網格。為了提高計算效率，采用三維四節(jié)點四面體進行劃分網格，得到的有限元模型如圖2所示。劃分好的有限元模型的網格數為191492，節(jié)點數為58177。圖2 機體有限元模型3

9、溫度邊界條件進行溫度場的計算，合理的給出傳熱邊界條件是保證計算可靠的關鍵，機體模型內部的溫度分布極為復雜，為了使傳熱邊界條件的選取更接近于實際情況，通常通過實測的表面溫度來反復修正邊界條件1。本文機體的溫度邊界為第三類邊界條件，換熱系數和介質溫度根據AVL-Boost軟件仿真分析和經驗公式計算結果估計。確定換熱邊界條件，主要是確定各邊界與燃氣、冷卻水、冷卻油、曲軸箱內油霧以及自由環(huán)境之間的換熱系數和相應溫度。第三類邊界條件下傳熱方程為： （1） （2）對應的泛涵公式為： （3）式中：為導熱系數，W/( m2·K)；為對流換熱系數W/( m2·K)；為環(huán)境溫度； S為機體邊界

10、。劃分單元的泛函表達為： （4） 總泛函為： （5）泛函取極值的條件為： （6）其中：I1，2，3，NJC為單元與整體邊界重合部分，N為節(jié)點總數。3.1 缸內氣體的換熱系數的確定發(fā)動機在穩(wěn)定工況下，燃氣對燃燒室內壁的放熱系數是隨時間和空間變化的，但對于每一個工作循環(huán)，是周期性的變化?；谶@個事實，可以用式（7）計算在一個循環(huán)內燃氣向單位燃燒室壁面的換熱量，即 （7）式中一個工作循環(huán)的周期，s；燃氣的瞬時放熱系數，,W/( m2·K) 燃氣的瞬時溫度， K 燃氣側燃燒壁的瞬時溫度，K式（7）也可以寫成 （8）很多試驗結果表明，燃氣側燃燒室壁面的溫度隨時間變化的幅度很小，可以近似作為常數

11、，則式（8）變?yōu)?（9）把式（9）與牛頓-黎赫曼換熱公式比較得到：燃氣的平均放熱系數為 （10）燃氣的平均結果溫度為 （11）定義燃氣的平均溫度為 （12）上面三式下腳標m是指一個工作循環(huán)內的平均值。式（9）則可以寫成 （13）式（13）即一個循環(huán)內燃氣向單位燃燒室壁面換熱量的計算公式。但應當指出，燃氣的平均結果溫度與燃氣的平均溫度是不一樣的，燃氣的平均結果溫度是在這樣的條件下求出的，即在每一個循環(huán)時間內，在不定常的換熱情況下，每單位表面積所傳遞的熱量等于穩(wěn)定換熱情況下每單位表面積所傳遞的熱量。不難看出，平均結果溫度即相當于穩(wěn)定換熱時的氣體溫度。至于燃氣的瞬時放熱系數的計算，目前計算公式很多，

12、差異較大，本文利用AVL-Boost軟件模擬出瞬時對流換熱系數和缸內燃氣瞬時溫度，如圖3所示。缸內氣體溫度缸內氣體換熱系數圖3 缸內氣體溫度邊界條件3.2 氣缸壁換熱系數的分布對于行程高度范圍內任一位置的缸壁內表面總受熱量包含如下 3個部分：燃氣以對流、輻射的方式直接傳入熱量；燃氣通過活塞側面?zhèn)魅霟崃?；活塞與氣缸壁摩擦傳入熱量的部分。發(fā)動機缸體內表面穩(wěn)態(tài)傳熱邊界條件下軸向高度上有如下的分布規(guī)律1： （14） （15）式中，氣缸內壁軸向距氣缸頂部的距離，m；發(fā)動機工作循環(huán)中燃氣的平均放熱系數，W/( m2·K)；發(fā)動機工作循環(huán)中燃氣的平均溫度，K。將氣缸內壁在高度上劃分為10段，每段內

13、的燃氣換熱系數和平均溫度見表1。3.3 缸體外壁、曲軸箱內壁換熱系數的的確定發(fā)動機缸體外表面與外界空氣的換熱主要是對流換熱，其換熱系數為2 （16）式中 缸體周圍空氣流動的雷諾數；缸體外表的特征尺寸，m；空氣的普朗特數；空氣的導熱系數，W/( m2·K)。曲軸箱內表面與箱內空氣的換熱也主要是對流換熱，其換熱系數亦用上式進行計算。機體外壁與外界空氣直接接觸部分的環(huán)境溫度就是發(fā)動機運行時周邊空氣的溫度，換熱系數取為空氣的自然對流系數，環(huán)境溫度設為320K，對流換熱系數設為60W/(m2·K)；曲軸箱內的空氣溫度要比機體周邊的空氣溫度高，環(huán)境溫度設為400K，對流換熱系數設為20

14、0W/(m2·K)。3.4 機體與連接件間的換熱系數的確定2機體上的連接件有缸蓋、油底殼、變速器、支承等，機體與這些連接件之間都有墊片相隔，以起到密封作用，這些墊片的導熱系數一般都很低，熱阻較大。故本文中機體與這些連接件間的換熱系數為 0.550W /(m2·K)，定性溫度 ，為連接處缸體壁面溫度。3.5 機體水套區(qū)域換熱系數的確定水有很強的對流換熱能力，可以達到50006000 W/(m2·K)，綜合考慮水套形狀、內表面的狀況、水流的溫度和速度等因素，將水套的上游部分初步定為2300W/(m2·K)，下游部分初定為2900 W/(m2·K)，

15、水套中環(huán)境溫度上游設為360K，下游設為370K。最后，機體設置好的溫度邊界條件如表1所示。表1 機體主要部分邊界條件Tab.1 Boundary conditions of Cylinder Block邊界對應區(qū)域第三類邊界條件環(huán)境溫度K對流換熱系數W/(m2·K)氣缸從頂部至底部分為10段126005002205039031620320413602855113026569702507850230879020096501501057080水套上游3602900下游3702300機體外壁32060曲軸箱內壁400200機體與連接件40054 機體溫度場分析根據前面建立的有限元模型和確

16、定的邊界條件，利用大型有限元軟件MSC.MARC對機體進行溫度場分析，得到了機體的溫度場分布。如圖4所示。圖4 機體溫度場分布從圖4可以看出，機體大部分區(qū)域溫度為348415K，還有大部分區(qū)域溫度在430466K之間，缸體溫度從第一缸到第四缸逐漸升高，最高溫度為515.7K，出現在第三缸與第四缸間的缸筒上，這是因為冷卻水從第一缸側的水套入口進入水套，剛進入水套的冷卻水溫度最低，流速最大，換熱系數也最大，從缸體帶走的熱量最多，流到水套下游，冷卻水溫度由于與缸體的換熱而逐漸升高，由于阻力流速也有所下降，換熱系數也降低，從氣缸帶走的熱量有所降低，導致從第一缸到第四缸溫度逐漸升高，而第四缸的外側與溫度

17、較低的外界環(huán)境直接換熱，導致第四缸外側溫度反而有所下降，如圖5所示。圖5 氣缸壁溫度分布圖5更清楚的顯示了位于第三缸與第四缸間的最高溫度，該處受兩缸內高溫燃氣的傳熱而又距水套入口較遠，溫度最高是合理的?？梢钥闯?，氣缸壁的溫度變化范圍較大，在396515.7K之間，其中第一缸溫度分布在396492.2K之間，第二缸溫度分布在411502.3K之間，第三缸溫度分布在427.1515.7K之間，第四缸溫度分布在418.7514.9K之間，如圖6所示，氣缸壁軸向溫度頂部較高，而底部較低，歸因于高溫燃氣總是在上止點被點燃，高溫燃氣對氣缸的傳熱在頂部多底部少，故在氣缸內表面施加的換熱系數也是頂部大底部小。

18、第一缸第二缸第三缸第四缸圖6 各缸溫度場分布5 結論1）使用CATIA建立了發(fā)動機機體的三維幾何模型，并對機體模型進行了一些簡化，使用四節(jié)點四面體單元對簡化后的機體劃分網格，建立機體的有限元模型。2）將機體的溫度場作為穩(wěn)定溫度場處理，利用AVL-Boost模擬出缸內氣體的溫度和換熱系數，詳細的分段確定了氣缸壁的溫度邊界條件，根據已有經驗公式求出缸體外壁、曲軸箱內壁以及機體與連接件間的溫度邊界條件，同時根據經驗估算水套內的換熱系數和溫度，將這些溫度邊界條件施加到機體的表面上。3）機體溫度場分布顯示，機體溫度從第四缸區(qū)域到第一缸區(qū)域逐漸降低，最高溫度在第三缸和第四缸之間的缸筒上。缸壁溫度場分布顯示，其溫度亦從第四缸區(qū)域到第一缸區(qū)域逐漸降低，最高溫度在第四缸缸套頂部且緊挨第三缸的位置。4）通過計算分析得到了機體的溫度場分布情況，為機體的熱應力分析和熱機耦合分析提供了依據。參考文獻：1 陳志金.基于CatiaV5的B類車車身內部布置工具的開發(fā)與應用D.吉林:吉林大學,2007.2 周皖青.CATIA在汽車模具逆向工程設計中的應用J.3 楊建華，龔金科，吳義虎.內燃機性能提高技術